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1、PC连续梁桥施工监控中应力测试分析（华东交通大学 土木建筑学院 南昌 330013）摘要：以向莆铁路FJ-12B标段跨荔涵大道特大连续梁桥为工程背景，介绍了施工监控中应力测试技术和方法，并对应力测试中的多种影响因素及误差进行了分析和处理，提出了实际应力的计算方法，为PC连续梁桥的施工质量和安全提供了技术依据。关键词：连续梁桥；施工监控；应力测试；误差分析1前言随着我国高速铁路建设的蓬勃发展，桥梁建设进入了前所未有的高潮时期。为保证桥梁结构运营的安全性、耐久性、可靠性和行车舒服性等，对桥梁施工过程进行监控是桥梁建设保证质量、减少损失、安全施工的重要保证。目前，对PC连续梁桥的监控主要是线形和应力
2、的双控，对线形控制的理论、测量手段和误差分析已经逐渐完善和成熟，而对应力的监控在以往监测中发现混凝土应力测试结果与理论计算相差很大，主要是由于混凝土温度变化、收缩徐变以及其它因素的影响，应变计所测量的应变与混凝土实际应变之间存在差异。因此，在施工监控中需对应力测试的影响因素做进一步的研究，采取合适的方法对测试值进行分析处理，才能比较准确的得到混凝土的实际应力值。笔者通过某高速铁路特大桥施工监控中箱梁应力监测，对测试数据的影响因素进行了探讨和误差分析，提出了相应的数据处理方法，为桥梁施工监控、运营监测提供了技术依据。2 箱梁结构应力监测原理箱梁应力监测主要包括混凝土应变测量和弹性摸量测量两方面内
3、容，本文重点讨论前者。应力的测试是根据梁段的测试应变按照弹性理论计算得出应力的，即： （1）式中：为测试截面的计算应力；E为混凝土的弹性模量；为测试截面的应变值。在施工监控实际测量中，测量所得的应变值不仅包含了荷载应变，还包含有混凝土的体积变形产生的非应力应变等干扰因素，如混凝土收缩应变、徐变应变以及温差应变等。应尽量剔除干扰得到较准确的荷载应变，从而换算所得的实测应力与模型计算的理论应力才能较为吻合，并将实测的换算应力值作为监控依据，保证桥梁施工安全、顺利的进行。3 工程背景概况向莆铁路FJ-12B标段5053#墩有砟轨道跨荔涵大道现浇预应力混凝土变截面连续箱梁桥，跨径组合（60+100+6
4、0）m。（以下简称“跨荔涵特大桥”）本桥由中铁第四勘察设计院集团有限公司设计，设计参数：设计速度：200km/h；线路情况:有砟，双线。箱梁梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。中支点处梁高7.20m，中跨中梁高为4.60m，箱梁顶宽12.2m，底宽6.4m，顶板厚为35cm4555cm，腹板厚为60cm80cm100cm，底板厚为55165cm。箱梁采用三向预应力体系C50混凝土结构。主梁采用挂篮悬臂浇筑对称施工，全桥按0#块现浇挂篮悬浇梁段施工边跨合拢中跨合拢顺序施工。PC连续梁桥施工中的主梁应变观测是一项长期、烦琐的现场监测工作。根据以往的经验，本桥选用某公司生产的JMT-36B型温度传感
5、器和JMZX-215A型混凝土埋入式振弦应变计，其观测值较为稳定，并且耐久性较好，适合应力场的长期观测。全桥共设置11个监测截面，分别选取各跨主梁的悬臂根部、L/4梁段（L表示桥梁主跨）和合龙段 (边跨和中跨的L/2)为控制截面，监测截面位置及控制截面传感器布置如下图所示：a) a）测点截面位置图 b) 一般控制截面应变测点布置示意图 c）合龙段断面应变测点布置图（包括边跨和中跨）图1 传感器布置示意图在各测试截面箱梁钢筋绑扎完成、混凝土浇筑前，应将测试元件沿桥梁纵向布置，并用扎带绑扎在箱梁上、下缘纵向钢筋上，测试导线引至混凝土表面，以便测量。此外，施工监控中在上面a）图示梁段截面处，还埋设了
6、可测试温度的传感器，以观测在施工过程中梁体温度场的分布情况，为施工控制模型提供较真实的温度应力场，为我们对所测数据进行温度修正提供了依据，也是对混凝土传感器自身进行温度修正的一个有力补充。跨荔涵特大桥箱梁结构在悬浇过程中，按照挂篮前移、立模；混凝土浇筑、凝固；预应力束张拉三个工况循环推进。在应变测量时，考虑到施工的连续性，重点对混凝土浇筑、预应力束张拉，两个工况及特殊工况下的应变进行应力跟踪监测，现场测量如下图所示：图2 现场应变测量照片由于混凝土应变测量的特殊性，应变测量时间应选定在每一工况结束8小时之后，同时，便于数据的比较，测量时的温度变化不能太大，在每一施工阶段，最好选择在日照之前或日
7、落之后进行，这样可以尽可能的避免应变滞后和温度变化带来的影响。但当特殊工况时，应该进行现场跟踪监测。4 箱梁应力测试影响因素及误差分析桥梁结构的实际状况与理论状况总是存在着一定的误差，原因主要由设计参数误差、施工误差、测量误差、结构分析模型误差等综合因素干扰所致。混凝土的应变可分为受力应变和非受力应变两种，在实测的应变中它们是混杂在一起的。根据CEB-FIP(1990)标准规范，在时刻承受单轴向、不变应力为的混凝土构件，在时刻t测量的总应变可分解为： （2）式中： 为加载时的初应变；为时刻t时的徐变应变；为收缩应变；为温度应变；为测量系统应变误差。因此，只有通过理论分析、误差分析等手段，对测量
8、结果进行适当的修正，使测试应力结果尽可能地接近于结构实际，从而较准确地掌握结构的真实应力状态。4.1应变计的位置及调零通常在测试截面所在的梁段混凝土浇筑前，将应变计预先绑扎在距箱梁顶底板约有10cm处的纵向钢筋上，这就使得测试应力与实际应力间有一定的误差。同时，浇筑、振捣混凝土时，应变计受挤压可能稍微偏离轴线，也会带来一定的误差。这些因素的存在而形成了一部分传感器位置误差，使得测量值偏小。对于应变计上下位置引起的差异，可以通过截面尺寸和上、下缘的实测应力进行修正；而应变计方位带来的随机误差是不确定的，一般不便修正，不过其量值相对较小，可不予考虑。在混凝土浇筑后，由于应变计会承受各种非混凝土应力
9、的因素的影响，应消除这部分的影响。为此需要在混凝土初凝时设定应变计初读数。在跨荔涵特大桥施工监控中，采用及时对应变计进行调零来处理，但对应变计调零时间的确定较难把握，一般在该梁段混凝土初凝后2小时进行较合适。4.2混凝土弹性模量影响根据应力测试原理知：由现场实测的应变值乘以混凝土得弹性模量便可间接得到应力值。混凝土弹性模量是结构计算中的一个非常重要的参数，实际的弹性模量与假定值总是存在一定的差距,需要通过试验得出实际的混凝土弹性模量，混凝土弹性模量试验由施工现场材料试验室完成。在主梁应力实际值计算时，混凝土弹性模量应该取相应龄期的实测值。事实上，混凝土实际弹性模量的测定时一项十分繁重的工作。4
10、.3混凝土应变滞后影响现场应变观测数据表明，受力混凝土结构应变具有一定的滞后性。特别是预应力索张拉后，由于种种因素的影响，应变在沿箱梁各截面的传播速度随施工节段的不同而有很大的差异。当预应力索较短、管道较畅通时，应变的滞后性不太明显；当预应力束较长时，各截面应变的滞后性与张拉端的位置有关，靠近张拉端的截面与短束的情况比较接近，远离张拉端的截面，应变滞后现象严重。如果应变测试偏早，将会导致部分应力丢失(不含预应力损失)，使测试应力值偏小；若应变测试偏晚，这时应力测试又会受到挂篮前移后自重的影响，使测试应力值产生偏差。为了减小应变滞后带来的影响，一般应在各截面应变稳定后，大约预应力索张拉后8小时进
11、行应变测量比较合适。此外，箱梁剪力滞效应对箱梁应力的影响也不能忽视，经分析纵向应力不大于10，横向应力不大于5。可通过布置多个传感元件的测试结果来消除部分影响。4.4温度影响及修正温度变化时，如果预应力混凝土箱梁无约束自由伸展，则埋入其中的振弦应变计也会随同变形。由于温度的影响，应变计中振弦丝的自振频率将会发生改变。这样就会影响应力测试的准确性，所以要进行温度修正。（1）假设箱梁截面没有因平截面假定而导致温度约束变形，如果应变计埋入混凝土时的温度为，观测时的温度为t，那么应变计温度应变为： （3）式中：和分别为混凝土和应变计的线膨胀系数，假设应变拉为正，压为负。（2）根据平截面假定，由于自约束
12、应变与温度自由应变与平面变形后所保留的应变差成正比，则在无外荷载情况下，箱梁的局部温差应变为： （4）式中：为沿箱梁梁高方向的温差分布曲线，其中为实测箱梁顶、底板温差（），y为计算点至箱梁顶板表面的距离（m），为指数系数；为截面重心距梁顶距离（m）；F为截面积（）；I为截面重心轴惯性矩（m4）；、为计算系数，具体计算方法参考文献5。 由上面的分析，从应变计读数中需消除的温度应变分为两部分：1应变计温度变形而导致的读数误差；2根据平截面假定而产生的约束应变误差，所以，温度应变修正值为： （5）4.5混凝土收缩徐变影响及修正混凝土的收缩应变是由于所含水分蒸发及其它物理化学原因产生的干燥收缩和体积收
13、缩，主要与混凝土品质和构件所处的环境等有关。混凝土的徐变应变主要与混凝土应力的大小、混凝土加载龄期、级配、水灰比及构件所处的环境等有关。在实际工程应变测量中，其包含了收缩和徐变产生的应变量，应给予剔除。（1）混凝土收缩应变计算多为经验公式，我国公路桥涵设计规范采用CEB-FIP（1978）的建议公式：混凝土收缩开始时的龄期天至龄期t天时的收缩应变为： （6） （7）式中：为混凝土名义收缩系数；为收缩应变随时间发展系数；h为构件理论厚度（mm）；h0取为100mm；t1为1d。（2）根据CEB-FIP（1990）标准规范的定义，在时刻开始作用于混凝土的单轴向常应力到时刻t所产生的徐变应变为： （
14、8）式中：为混凝土弹性模量；为徐变系数，具体计算参考文献7。（3）对于悬臂浇筑的混凝土结构，弹性应力是变化的，徐变应变可由叠加原理计算。对于在时刻施加初应力后，又在不同的时刻分阶段施加应力增量的混凝土在以后任意时刻t的徐变应变为： （9）综合考虑到上述各因素的影响，可知箱梁测试点处监测的实际应力为: （10）式中:为混凝土实测弹性模量，在计算时取其相应龄期的测试值；为测试点处应变计读数应变值；为徐变应变值；为收缩应变值；为温度应变值；为测量系统应变误差值，其可以通过采取一些测试措施给予消除或减少。通过以上应力测试影响因素的分析，在目前测量技术水平下，可使实测应力尽可能地反映结构的真实状态。由于
15、混凝土材料的特殊性，测量应力的误差主要源于混凝土的实际弹性模量的测量和混凝土的收缩徐变的计算。5 箱梁结构应力分析结果结合跨荔涵特大桥施工监控中应变观测数据，应用本文提出的数据处理方法，计算出实际应力，并与理论应力进行对比，作出应力变化曲线。（限于篇幅，以本桥左幅51#墩数据为例）图3图6给出了左幅51#墩悬臂根部、箱梁L/4测试截面在悬浇施工过程中各节段混凝土浇筑后、预应力索张拉后的顶、底板应力变化情况，以及合拢后的应力状况；表1给出了左右幅箱梁合拢段控制截面在混凝土浇筑后、预应力索张拉后的顶、底板应力状况。 图3 51#墩悬臂根部测试截面顶板应力变化曲线 图4 51#墩悬臂根部测试截面底板
16、应力变化曲线 图5 左幅51#墩L/4测试截面顶板应力变化曲线 图6 左幅51#墩L/4测试截面底板应力变化曲线注：1.图中施工工况1表示1#块混凝土浇筑后，工况2表示1#块预应力张拉后，工况3表示2#块混凝土浇筑后，工况4表示2#块预应力张拉后，后面的工况以此循环，直至中跨合拢段预应力张拉完成。2.应力单位为Mpa，负号“-”表示压应力，反之为拉应力。表1 合拢段控制截面应力状况施工阶段边跨、中跨合拢段测试截面应力顶板底板理论应力实际应力误差理论应力实际应力误差5051#边跨合拢浇注后-1.25-1.282.4%0.3830.2632.1%张拉后-4.92-4.734.4%-8.02-7.9
17、50.8%5152#中跨合拢浇筑后-0.597-0.8237.4%0.7450.4638.2%张拉后-4.69-5.4115.4%-6.88-7.143.8%注：1.应力单位为Mpa；2.负号“-”表示压应力，反之为拉应力。 从以上应力变化曲线图以及合拢段应力状况对比表可以看出：1）实际应力值与理论值变化趋势基本一致，测试结果比较好，但是数值上有一定数量的偏离。误差产生的原因是误差分析中对某些因素的忽视，尤其是随着预应力索长度的增大，索的张拉延伸量严重不足，预应力损失增加。其原因可能是施工时波纹管逐段拼接的孔道偏差影响、弯道影响及接头漏浆引起的预应力损失过大、非对称张拉所致。2）实际应力基本无
18、拉应力出现，最大压应力值小于13.4Mpa(C50混凝土中心受压容许应力)，表明截面是全截面受压，即各截面均受到压应力作用，从而说明，整个施工过程中箱梁结构处于安全状态，施工监控是成功的。3）边跨和中跨合拢段张拉后测试截面底板压应力有较大储备，应力分布比较合理。4）实际应力值与理论值的误差较小，说明了本文所采用的计算程序和应力误差分析方法是正确的，计算结果是可靠的。6 结论及展望作为施工监控的一个重要环节，应力监测对于确保桥梁施工安全和合理成桥状态具有不容忽视的作用。笔者亲身参与了跨荔涵特大桥施工监控工作，通过对本桥的应变观测，对测试的应变数据进行修正，进而反应混凝土的真实应力状况，并与结构理
19、论计算结果对比分析。从整桥控制截面应力来看，实测应力与理论应力基本吻合，说明预应力索张拉较好。在PC连续梁桥施工中，应力监测是施工监控的重要手段之一，它能弥补设计中参数选择不当或一些复杂因素考虑不周的缺憾，有利于进一步完善桥梁设计理论。笔者的几点展望：1、由于混凝土材料的特殊性及施工工艺的复杂性，影响应力测试结果的因素太多，尚待深入探索和研究。2、目前，收缩徐变的理论计算与实际仍存在一定误差，如何采用更加合理、符合实际的收缩徐变参数有待进一步深入研究；3、进一步重视大型桥梁在运营阶段的控制监测。参考文献：1强士中.桥梁工程M.北京：高等教育出版社,20042范立础.预应力混凝土连续梁桥M.北京
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